面向檢修過程的一種鐵路客車轉向架虛擬檢修系統開發*

鄒俊俊, 馮 巖, 潘 磊, 張 佩, 衛 海

(1 西安鐵路職業技術學院， 西安 710014;2 中國鐵路西安局集團有限公司, 西安 710014 )

隨著投入運營車輛的數量增加和運行速度的提高，鐵路車輛檢修的工作量日益繁重，整個行業對能夠從事車輛檢修的技能型人才的需求日益增大。轉向架是鐵路車輛核心部件之一，直接關系到行車安全。它的檢修成本占到40%左右(全生命周期)，是整個車輛檢修中工作量最大，涉及人員最多的檢修環節。[1]各鐵路公司都要求檢修從業人員必須經過包括實操在內的各項考核，合格后方可具備上崗資質。

目前培養合格的轉向架檢修人員多采取傳統培訓方式，即使用物理樣機作為實操教學工具進行。以中國鐵路西安局集團有限公司為例(以下均簡稱為西安局)，該局專門建設了一條檢修試驗線供新員工快速熟悉轉向架檢修流程，一般的軌道交通類職業院校也多采取類似的培養模式。但是該方法存在以下弊端：

(1)投資大，浪費人力物力。一般只能購置專用于實訓的老舊車型，隨行業發展，車型更換后，難以對車型更新換代升級。

(2)效率低，存在安全隱患。由于占地面積太大，設備不易于安放，且受制于場地和安全因素，每次安排培訓的人數非常有限，場地設備利用率很低。

(3)學習效果差。由于轉向架和車輛的整體結構較大，僅使用工程圖、檢修工藝卡的學習形式不利于學員清晰、直觀了解產品結構。

因此，依托企業技術力量、優勢資源，深化校企合作，打造虛實結合、信息交互、職前培養、職后培訓的虛擬仿真項目，具有重大的現實意義。

1 虛擬仿真檢修系統的設計思路

虛擬仿真實訓是近年來隨計算機虛擬現實技術興起的一種新的輔助教學方式，尤其在實踐類的學習領域，虛擬仿真實訓能夠為學員提供生動、逼真的學習環境，從而加速和鞏固學生學習知識的過程。在國內一些高等學校的實驗和實訓室建設中已有不少成功的案例。

國內目前在轉向架檢修培訓方面已開始運用虛擬仿真實訓技術[2-4]。面向檢修過程的轉向架虛擬檢修系統的開發不僅需要注重計算機虛擬環境的應用，還需要考慮物理要素的作用，人機交互方面針對真實工況，加強對實操過程的系統性評價等。為提高培訓效果，必須要結合現場的實際情況，面向真實檢修過程，建立虛擬檢修仿真環境，零距離契合真實檢修工序、流程。因此，課題組在西安局相關部門的協助下實地調研了檢修車間、收集了檢修工藝資料，最終確定該仿真檢修系統的整體方案如下：

(1)借助三維建模軟件真實準確建立轉向架各部分結構的三維數字模型；

(2)集成能夠全面滿足前置學習要求的所有轉向架檢修相關工藝文件；

(3)檢修模塊借助虛擬現實技術，通過鼠標和鍵盤實現用戶與虛擬環境人機交互，實現轉向架虛擬拆裝檢修的功能。

(4)針對檢修流程中的常見故障建立隨機故障庫，并在學習的過程中隨機調取。

(5)過程控制系統可對學員的模擬檢修過程全程監控并對檢修結果給出科學評價。

按照此方案，檢修系統的軟件架構設計如圖1所示。

圖1 虛擬檢修仿真系統軟件架構

2 虛擬仿真檢修系統的組成與功能

2.1 轉向架結構認知模塊

該模塊主要包括兩方面的內容：(1)系統介紹和檢修流程學習。內容包含系統的基本操作說明和轉向架整體檢修流程相關工藝文件，該部分工藝文件全部由西安局相關部門協助提供。(2)轉向架模型展示。轉向架檢修模型選用的是目前服役的25G型客車轉向架。課題組在設計圖紙基礎上，利用三維建模軟件，根據自上而下的設計原則，運用先進的交互式參數化建模方法，創建生成轉向架各零部件的三維模型，然后導入Unity3d中進行交互性設計，完成的主要零部件模型如圖2所示。

圖2 轉向架主要零部件及總裝配圖模型

模塊的特點在于學員可以按照檢修操作的流程自主學習。學員既可以通過內置的自動演示功能觀看轉向架的基本結構，還可對模型進行平移、旋轉、縮放，便于學習者清楚觀察，通過檢修工藝卡等圖文資料，對轉向架結構中的重要零部件的結構及其功能進行展示，方便學員清楚認知轉向架的構造和檢修的基本流程。其功能界面如圖3所示。

圖3 轉向架結構認知功能模塊

2.2 轉向架虛擬檢修模塊

鐵路客車轉向架結構復雜，主要包括構架組成、輪對軸箱裝置、搖枕彈簧裝置、基礎制動裝置等，其一般檢修流程如圖4所示，其中各工位需要檢修的主要項目如表1所示。[5]

圖4 轉向架結檢修基本流程

本系統在故障庫中建立了23個子檢修項目，學員在完成前述的認知模塊導引學習并考核通過后，即可通過檢修模塊進行仿真。本模塊的設計圍繞3個核心內容展開。(1)檢修環境：目前西安局改革傳統的機車檢修作業方式，采用流水線作業，即車動人不動，拆、檢、裝節拍化設計，檢修線按照工作職責不同設計了 22 個工位，形成工位制節拍化生產模式。在軟件中我們利用3dsmax和Unity3D建立了各工位的模型，為力求接近實際，包括各工位使用的工裝、天車等設備和安全規程都按照實際情況建立，學習者可以更加直觀的認識未來的工作環境，實現培訓結束“零距離”上崗。(2)檢修流程：學員需在指定工位上按照檢修工藝要求對轉向架的主要結構、輔助裝置進行清洗、拆裝、檢修。(3)檢修方法：學員需選擇合適工具，按照規定方法，按照標準的工藝參數完成檢修。

以圖5、圖6所示的中央懸掛裝置項目中的組裝垂向油壓減振器為例，說明虛擬檢修模塊的工作過程。當學員抽取到該任務后，前往檢修線虛擬工位，閱讀檢修工藝卡了解工藝要求。該任務為典型的零部件裝配工序，為真實模擬裝配工序的所有要素，本例設計為學員在圖5中間區域進行物料選擇，然后在右邊工具選擇欄選擇要用的工夾量具，隨后按照操作規程將各零件正確裝配。所有虛擬操作均按照技術要求在系統中進行檢驗。如圖6所示的螺栓緊固操作，裝入零件后需使用力矩扳手對零件緊固，力矩大小和旋向由學員自行控制，每順時針旋轉一次力矩扳手，緊固力矩增加相應數值，操作完畢后若緊固力矩不符合要求，觸發零件失效動畫，任務失敗，扣除操作分數。類似的包括裝配順序、是否干涉等多項技術要求均在系統中進行了相應設置。由此可見，本模塊設計上力求增強真實性和交互性，通過虛擬實操，使得復雜的裝配關系、裝配工藝得以清晰表達，為學員提供了真實、可視化的操作空間。

表1 轉向架虛擬檢修模塊主要內容

圖5 垂向油壓減振器組裝任務物料選擇示例

圖6 垂向油壓減振器組裝任務緊固操作示例

3 學習評價模塊

本系統既可以方便實現理論知識考核，同時也便于按照檢修工藝，進行操作要點的仿真實訓考核。為保證系統評價學員學習的科學性，學習評價模塊功能設計為：學生利用鼠標和鍵盤在虛擬環境中對轉向架進行結構認知、虛擬檢修等操作，系統后臺記錄學員的操作行為，然后依據車輛段檢修工藝規程進行兩個層面的評價：操作步驟評價，即評價學員在虛擬檢修模塊中對轉向架部件的拆解、檢查、調整與安裝等，是否按照操作順序和要點進行；操作方法評價，即評價學員在模擬檢修中使用的工具、操作時使用的包括力、力矩、角度等在內的物理量是否滿足技術要求進行評價。

通過上述兩個層面的評價，學員在考核中每一步驟均需要嚴格依照操作規程進行，出現不當操作和多余操作都會扣除相應分數，實現了實訓考核中的過程管理，保證了考核過程的客觀性和科學性，實現了本系統理論和實際操作結合的數字化考核平臺的功能。

4 結束語

隨著軌道交通行業的迅猛發展，新技術新裝備不斷涌入，整個行業對具備專業素質和技能的人才需求量不斷增加。對學校而言，傳統實訓模式日益難以滿足人才培養的需要，通過虛擬仿真技術、人機交互技術、網絡通信技術開發虛擬仿真檢修平臺，利用仿真平臺不受場地和人數限制、在故障模擬、工況仿真方面，資源共享、升級、維護方面的巨大優勢，真正的把企業的崗位需求引入到教學過程中去，才能更好的服務地方經濟，為行業的發展提供有力支持。